國家速滑館雙曲馬鞍形金屬屋面施工技術*

王自偉，李久林，蘇李淵，李劍星，陳利敏，袁 浩，駱建坡，陳 杰

(1.北京城建集團有限責任公司，北京 100088； 2.北京江河幕墻系統工程有限公司，北京 101300)

1 工程概況

國家速滑館位于北京奧林匹克公園規劃范圍內，項目用地為北京2008年奧運會臨時場館(曲棍球場、射箭場)原址。規劃用地范圍約20hm2，建筑面積約8萬m2，是北京 2022 年冬奧會的標志性場館之一，也是冬奧會北京賽區唯一新建比賽場館。冬奧會后，該場館將成為舉辦滑冰、冰球等大型國際賽事及滿足廣大市民冰上活動的多功能場館。封頂后的國家速滑館如圖1所示。

圖1 封頂后的國家速滑館

國家速滑館屋蓋采用單層雙向正交馬鞍形索網結構，南北向最大跨度 198m，東西向最大跨度 124m，標高為 15. 800～33. 800m，支承于周圈鋼結構環桁架上，環桁架外側設置幕墻拉索，是世界上類似結構中跨度和規模最大的索網結構，給屋面施工增加了極大難度。其具有技術含量高、外形復雜、工程施工難度大、質量要求高、工期緊等工程特點，要確保工程質量、施工高效安全，施工方案設計與選擇是關健。故在施工時采用國內首創的大跨度馬鞍形索結構單元式屋面板安裝施工工法，該工法具有簡單、易操作、用人少、施工速度快等特點，為索網結構等柔性屋面，尤其是大跨度柔性屋面結構施工提供了一種新穎、靈活的施工方法。

2 工藝原理

由于國家速滑館屋面造型新穎、結構復雜、施工難度大，該工法首先提出將速滑館屋面大跨度馬鞍形索網結構柔性屋面系統分為單元板塊屋面、人字形天窗及直立鎖邊屋面。施工時劃分為3個區域(見圖2)，每個區域再劃分為多個小區域，分批次交叉作業，可達到施工區域安排的合理化、程序化、系統化，優化了屋面安裝順序，縮短了工期。

圖2 屋面系統劃分平面

鑒于該屋面是國內首創的大跨度柔性索網屋面，單元板塊系統構造復雜，安裝在柔性索網屋面上方，不具備現場分層安裝條件，故采用預制單元板塊成品、現場安裝的施工方案。安裝時，創新性地采用單元板塊從索網單元格對角線起吊、放平后安裝的施工方式，大大減少了人力、物力的消耗，極大地提高了效率。屋面天窗施工時，在現場制作多榀人字形鋼架龍骨，起吊后安裝，提高了施工速度。直立鎖邊屋面分層施工，再根據現場尺寸進行不銹鋼天溝的定尺制作和收邊收口，保證了工程質量，完美呈現了速滑館新穎、美觀的造型。

3 屋面安裝順序優化

不同于傳統屋面施工方式，為確保工期，提高施工效率，降低施工費用，同時便于組織管理，結合具體工程現狀，按照施工方向、施工場地限制、施工要求、施工順序等情況，科學性地將每個施工區域劃分為不同施工批次，如圖3所示。

圖3 屋面批次劃分平面

考慮到項目工期要求及不同系統之間的交接，按系統將屋面分為不同施工流水段，合理安排施工順序，優化屋面安裝順序。例如，考慮屋面拉索結構變形，可安排屋面整體安裝順序為：單元板塊屋面→人字形天窗→直立鎖邊屋面。各施工段內施工順序也按照從中間向兩邊，先單元板塊屋面、然后人字形天窗、最后直立鎖邊屋面的順序施工。

受建筑具體結構形式分布的影響，考慮到起重機械工作半徑所能覆蓋的范圍，不規則單元板塊安裝順序為：3→4→5→6→7→8→9→10→1→2。人字形天窗施工順序為：1→2→3→4。直立鎖邊屋面施工順序為：1→2→3→4。

4 施工技術

4.1 單元板塊屋面施工

首先將屋面分成裝配式單元，預制不規則單元板塊進行現場安裝。不規則單元板塊借助BIM模型，導入數據，實現精準化加工。安裝時根據模型變形分析，板塊間預留90mm寬縫隙，并由保溫巖棉填充，形成柔性連接，適應主體變形。此方法經濟高效地解決了索網結構上面材固定及柔性索網變形等技術難題。

此外，根據速滑館特殊的索網結構屋面特點，創新性提出采用汽車式起重機將不規則單元板塊吊裝至指定位置，大大提升了施工速度，節約了施工成本。對于預安裝位置下方滿足25t起重機安放的區域，首先通過精確計算，將起重機擺放至正確位置。將起重機支臂從附近索網分格伸出，起重機的2個吊鉤同時下落，將板塊垂直沿網格對角線空間吊出(見圖4)。對于板塊下方不滿足25t起重機安放的區域，則需使用大噸位起重機(如300t起重機)，將其擺放在場館外。將起重機的2個吊鉤從指定索網分格中同時下落，將板塊垂直沿網格對角線空間吊出，如圖5所示。

圖4 板塊下方滿足25t起重機擺放的區域安裝示意

單元板塊沿索網對角線吊出時，需精準控制板塊起吊位置及起重機大臂落點位置，起重機每個站位均需根據板塊尺寸、對角線關系進行精確計算，如圖6所示。

圖6 最厚單元板塊與索網邊界校核示意

4.2 人字形天窗施工

由于速滑館具有獨特的馬鞍形屋面構造，天窗施工需預先在BIM模型中提取每根龍骨的三維坐標，測量人員分組在現場利用全站儀進行精準放線，將龍骨定位至預定位置。同時在BIM模型中提取鋼龍骨尺寸，按照每一跨度不同尺寸分格，在地面提前預制好多榀人字形鋼架，再進行龍骨吊裝焊接等施工步驟，最大化提升施工效率。天窗施工流程如圖7所示。

圖7 天窗施工流程

4.3 直立鎖邊屋面施工

直立鎖邊屋面施工時，預先在BIM模型中提取每根檁條尺寸及三維坐標，測量人員分組在現場利用全站儀進行精準放線，將檁條定位至預定位置。放線工作量大時可分組進行，以提高施工效率。然后吊裝檁條，如果1組檁條長度剛好遞增或遞減，經過精確計算滿足起吊條件后，可一次性吊裝以進一步提高施工效率，節約經濟成本。收邊處的包邊板均根據水槽與天溝的交接尺寸定尺下料、定尺加工、定尺安裝，水槽內側保溫、安裝均連續焊接以保證施工質量。

5 結語

國家速滑館雙曲馬鞍形金屬屋面是我國首個大跨度柔性屋面體系，造型奇特，施工難度極高。本工程采用獨創的大跨度馬鞍形索結構單元式屋面板安裝施工工法，科學、安全、高效地完成了施工任務，工期縮短至普通方法的1/3，極大地提高了經濟效益。主要施工特點如下。

1)優化了屋面板安裝順序，提高了作業效率。

2)適用于單元板塊系統構造復雜的情況。單元板塊安裝在柔性索網屋面上方，不具備現場分層安裝條件，故采用預制單元板塊、成品現場安裝的施工方案。

3)單元板塊安裝時，直接利用小噸位起重機從索網單元格對角線起吊，靈活有效地降低了安裝難度，結合地面跟蹤測量，有效保證了安裝精度。

4)為等效單元板塊安裝前后索網變形問題，采用屋面索網吊掛作為等效荷載，邊裝邊拆，有效解決了變形不協調的問題。

5)收口、收邊及搭接處多為不規則曲線交接形式，須嚴格根據現場尺寸下料。